Помните первое настоящее изображение черной дыры? Ученые разглядели на нем новые подробности — оказалось, что у черных дыр тоже есть магнитное поле! Вот что это значит
В апреле 2019 года международная группа астрофизиков представила первое в истории изображение черной дыры. Вы наверняка слышали об этом — даже если не интересуетесь наукой. Но это было только началом большого исследования. Спустя два года, 24 марта 2021-го, ученые опубликовали новое изображение той же черной дыры — на этот раз в поляризованных лучах. «Медуза» объясняет, что все это значит.
Что уже было известно?
Если вы возьмете самую мощную камеру и попытаетесь сделать фотографию черной дыры, то у вас, к сожалению, ничего не выйдет. Все потому, что этот объект обладает настолько сильной гравитацией, что за его пределы не может вырваться даже электромагнитное излучение. Иными словами, черная дыра и не отражает свет, и не светит сама — отсюда такое название. Однако это не значит, что она всегда остается невидимкой.
Напрямую черную дыру увидеть нельзя, но вот косвенно — вполне возможно, по излучению окружающего вещества. Если рядом с черной дырой находится облако газа, то он, падая на ее поверхность, образует вращающийся аккреционный диск, в котором разогретая до огромных температур материя начинает ярко светиться — как светится разогретая спираль лампочки.
Излучение испускается до тех пор, пока вещество не попадет за горизонт событий — пространственную границу, события за пределами которой принципиально недоступны для внешнего наблюдателя. Иными словами, область внутри нее со стороны выглядит как непроглядная чернота.
Однако получить первое четкое изображение черной дыры, а точнее ее тени, удалось лишь недавно. Астрономы продемонстрировали его в апреле 2019 года, спустя два года упорной работы. Для этого пришлось объединить восемь обсерваторий, расположенных по всему земному шару, в единый «виртуальный» телескоп Event Horizon Telescope (EHT). Входящие в его состав инструменты наблюдали один и тот же объект — сверхмассивную черную дыру в центре галактики М87, которая находится в созвездии Девы и удалена от Земли на расстояние около 55 миллионов световых лет.
Несмотря на то, что обсерватории не были связаны друг с другом физически, получаемые ими данные удалось синхронизировать с помощью атомных часов. Благодаря объединению инструментов наблюдения и последующей обработке данных с использованием компьютерных алгоритмов, исследователи получили изображение с очень высоким угловым разрешением . Имей человеческий глаз такое же разрешение, мы бы смогли прочитать газету в руках прохожего в Нью-Йорке, сидя в парижском кафе (пренебрегая кривизной нашей планеты, конечно).
Тень черной дыры — это наибольшее возможное приближение к «фотографии» самой черной дыры. Поэтому полученное изображение — не просто красивая картинка, но еще и очень важный научный результат. Конечно, революции не произошло: несмотря на то, что черные дыры продолжают называть «гипотетическими объектами», астрономы уже давно не сомневаются в их реальности — тем более, что существуют и другие доказательства, например гравитационные волны от слияния черных дыр. Тем не менее, полученная EHT картинка позволила ученым немного «прощупать» их окрестности.
В случае с черной дырой в центре галактики М87, астрономы смогли получить независимую оценку ее массы — она превосходит солнечную в 6,5 миллиарда раз. Радиус Шварцшильда, который принято считать «размером» черной дыры, оказался равен примерно 120 средним расстояниям от Земли до Солнца. Иными словами, если бы мы поместили такого гиганта в центр Солнечной системы, то его края вышли бы далеко за орбиту Плутона. Более того, даже Эрида, самая далекая карликовая планета Солнечной системы из известных на сегодняшний день, находилась бы внутри его владений.
Светящийся аккреционный диск на картинке расположен перпендикулярно к лучу зрения — то есть «лицом» к нам. Поэтому, получившаяся картинка не похожа на легендарное изображение Гаргантюа из фильма «Интерстеллар» — для этого надо смотреть с ребра. Но зато ученым удалось в очередной раз протестировать Общую теорию относительности Эйнштейна. И пока что расхождений с ней не обнаружилось.
Тем не менее, еще в 2019 году было ясно, что полученный результат — только начало пути. Собранной информации оказалось настолько много, что ее даже не смогли переслать по интернету — жесткие диски пришлось отправлять в аналитические центры в Бонне и Бостоне самолетом. Само собой, обработка такого объема данных занимает время. Поэтому следующее обновление появилось только сейчас.
Что именно мы узнали сейчас?
24 марта коллаборация телескопа Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала новое изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87, на этот раз в поляризованных лучах (1, 2).
Чтобы объяснить, что такое поляризация, давайте обратимся к физике. Как известно, свет можно рассматривать как электромагнитную волну, электрический компонент которой способен колебаться в любом направлении перпендикулярно направлению распространения. Когда эти колебания имеют предпочтительное направление мы говорим, что свет поляризован.
Поляризация света в повседневной жизни может происходить при различных обстоятельствах — например, при прохождении через специальный фильтр. Примером такого фильтра могут служить специальные стекла в некоторых солнцезащитных очках или автомобилях. Если говорить о космосе, то там управлять светом могут магнитные поля, поэтому поляризованное излучение от разогретой до высоких температур области пространства будет говорить об их присутствии.
Как раз такую поляризацию и обнаружили астрономы при обработке данных EHT. Благодаря наблюдениям с помощью специальных приемников, они смогли не только составить карту распределения силовых линий магнитного поля в ближайших окрестностях черной дыры и определить его напряженность, но и получить новые, более четкие изображения. По словам ученых, они дают ключ к пониманию того, как магнитное поле позволяет черной дыре поглощать вещество и испускать мощные джеты — струи вещества, вырывающиеся из ядра галактики M87 и простирающиеся как минимум на 5000 световых лет от ее центра.
Для описания того, что происходит в окрестностях сверхмассивных черных дыр, астрономы создали множество различных моделей. Теперь же, благодаря новым данным, они смогли наложить на них ограничения. Исследователи убедились, что только те модели, которые предполагают присутствие сильно намагниченного газа, могут объяснить наблюдаемую вблизи горизонта событий картину. Судя по всему, магнитные поля во внутреннем крае аккреционного диска вокруг черной дыры достаточно сильны, чтобы отталкивать горячий газ и помогать ему сопротивляться мощному гравитационному притяжению.
Иными словами, астрономы смогли подтвердить, что магнитные поля действительно управляют движением вещества вблизи горизонта событий и играют критическую роль в формировании джетов. Однако конкретные детали этого процесса, а также причину такой огромной протяженности струй вещества им еще предстоит выяснить.
Кристина Уласович